JP2005122909A - Real-time processing position correcting method and device for it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体ウエハ等の断面観察面を集束イオンビーム装置を用いて加工する際の加工面位置の補正方法とそれを実行する装置に関する。 The present invention relates to a method of correcting a processing surface position when processing a cross-sectional observation surface of a semiconductor wafer or the like using a focused ion beam device, and an apparatus for executing the method.
集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置は素材の加工と顕微鏡観察ができることから、半導体ウエハ試料の断面加工や観察にこれが広く用いられている。断面サイズは大体数μｍ〜数十μｍ程度である。基本形な手順としては図６Ａに示すようにまず試料中の断面観察を実行したい個所を特定（破線で囲まれた部分）することになるが、断面を観察するためには露出した断面部の前方を広く空けておく必要がある。それは断面の顕微鏡像を得るには断面に対して深い角度からのビーム走査が必要となるためである。加工領域が特定されると図６Ｂに示すように試料面に垂直方向からのイオンビームにより粗加工を施す。この加工は観察断面を露出させるというよりは観察に必要な穴あけ加工であるから、大電流ビームを用いた荒いエッチングとなりＢに図示されているように観察断面はダメージを受けている。穴あけ加工が終了した段階でビーム電流を低く押さえたエッチングにより観察断面の研磨加工を実行し、図６Ｃに示すようなきれいな断面を露出させる。試料台をチルトさせ、断面に対し深い角度からイオンビームが照射されるようにしてビーム走査を実行し、観察所望断面の走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）像を得る。加工ビームと観察ビームは異なる角度から照射される。 Since a focused ion beam (FIB) apparatus can process a material and observe with a microscope, it is widely used for processing and observing a cross section of a semiconductor wafer sample. The cross-sectional size is about several μm to several tens of μm. As a basic procedure, as shown in FIG. 6A, first, a portion where the cross-section observation in the sample is desired to be performed is specified (a portion surrounded by a broken line). Need to be wide open. This is because beam scanning from a deep angle with respect to the cross section is required to obtain a microscopic image of the cross section. When the processing region is specified, as shown in FIG. 6B, rough processing is performed by an ion beam from the direction perpendicular to the sample surface. Since this processing is a drilling process necessary for observation rather than exposing the observation cross section, it becomes rough etching using a large current beam, and the observation cross section is damaged as shown in FIG. When the drilling process is completed, the observed cross section is polished by etching with a low beam current, and a clean cross section as shown in FIG. 6C is exposed. The sample stage is tilted, and beam scanning is executed so that the ion beam is irradiated from a deep angle with respect to the cross section, and a scanning ion microscope (SIM) image of a desired cross section is obtained. The processing beam and the observation beam are irradiated from different angles.
ところで、断面観察に集束イオンビームを用いると試料表面をエッチングしてダメージを与えてしまったり、イオン源として用いるガリウムなどの原子が試料内に残留したりして試料を汚染してしまうなどの問題があり、最近はイオン鏡筒と共に電子鏡筒を備えるようにして観察にはこの電子顕微鏡像（ＳＥＭ）を用いるようにした装置が開発されている（特許文献１参照）。このデュアル鏡筒タイプの装置では試料面の情報から加工用のイオンビームを照射し、斜め情報から断面部分を観察用の電子ビームを照射するのであるが、二つの鏡筒方向を予めセットしておきイオンビームによる加工途上にリアルタイムでＳＥＭ像による観察をおこなうことができる。 By the way, if a focused ion beam is used for cross-sectional observation, the sample surface may be damaged by etching, or atoms such as gallium used as an ion source may remain in the sample and contaminate the sample. Recently, there has been developed an apparatus which uses an electron microscope image (SEM) for observation with an electron lens tube as well as an ion lens tube (see Patent Document 1). In this dual lens barrel type device, the ion beam for processing is irradiated from the information on the sample surface, and the electron beam for observation is irradiated on the cross section from the oblique information. However, the two lens barrel directions are set in advance. Observation with a SEM image can be performed in real time during the processing by the ion beam.
ＦＩＢ装置で加工枠を設定するときには試料ステージのローテーション機能及びイオンビームを偏向走査するスキャンローテーションの機能を使用し、試料面上の走査方向すなわち横の回転方向は従来は目分量で確認しながら設定していた。しかし、この方法では熟練者であっても正確な垂直断面が得られず、半導体デバイスのサブミクロン以下の微細なパターン、特にタングステンビアのような規則的に並んだ円柱形状のパターンを加工する場合には、微小な加工枠の回転ずれで両端の断面パターン幅がずれてしまう（上下層の導通をとるために、露光してできた穴にタングステンを薬品処理で埋め込む。このタングステンで埋め込んだものをタングステンビアという）。まして、経験の浅いオペレータには微細なパターンの断面を綺麗に加工することは至難の業であった。また、この断面加工は試料面に対して垂直方向の照射角すなわち縦方向に関しても同様の問題があり、この方向設定が正確でないときはタングステンビアの断面の幅が上下で微妙に違ったり、上下で同じ位置にあるビアが真直ぐ加工しても上下層でその幅が異なるなどの現象を生じる。
本発明が解決しようとする問題点は、集束イオンビームを用いて半導体ウエハの断面を加工する際に、素子内に規則的に配列されたパターンの幅が均一に揃って露出するように加工断面が横方向にも縦方向にも回転ズレのない断面加工を実現させることにある。 The problem to be solved by the present invention is that when a cross section of a semiconductor wafer is processed using a focused ion beam, the cross section of the pattern regularly arranged in the device is uniformly exposed to be exposed. Is to realize cross-sectional processing without rotational misalignment in both the horizontal and vertical directions.
本発明の加工面位置ズレ補正方法は、規則的にパターンが配列された半導体素子の断面観察のための集束イオンビームを用いた加工において、断面観察画像中の左右又は上下両端近傍にある対応パターンの寸法を比較測定し、両方の測定値から集束イオンビーム加工面の横方向又は縦方向の回転ズレを計算し、試料に対する集束イオンビームの走査方向若しくは照射角度を変え当該ズレを補正する。 The processing surface misalignment correction method of the present invention is a processing method using a focused ion beam for cross-sectional observation of a semiconductor element in which patterns are regularly arranged. Are compared and measured, and the horizontal or vertical rotation shift of the focused ion beam processing surface is calculated from both measured values, and the scan direction or irradiation angle of the focused ion beam with respect to the sample is changed to correct the shift.
本発明の加工面のズレを補正する機能を備えた集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡の複合装置は前記走査型電子顕微鏡で断面観察像を得て、規則的にパターンが配列された画像両端近傍にある対応パターンの幅を測定する手段と、両方の測定値から集束イオンビーム加工面の回転方向のズレを計算する手段と、該計算手段の結果に基づいて試料に対する集束イオンビームの走査方向若しくはビーム照射角度を変える手段とを備えるものとした。 The combined device of a focused ion beam device and a scanning electron microscope having a function of correcting a displacement of a processed surface according to the present invention obtains a cross-sectional observation image with the scanning electron microscope, and both ends of an image in which patterns are regularly arranged Means for measuring the width of the corresponding pattern in the vicinity, means for calculating the rotational deviation of the focused ion beam processing surface from both measured values, and the scanning direction of the focused ion beam with respect to the sample based on the result of the calculation means Alternatively, a means for changing the beam irradiation angle is provided.
また、対応パターンの幅を測定する手段は、両端の画像を部分取得し、該両方の部分画像を重ね合わせ、寸法差を自動認識する手法を採用した。 In addition, as a means for measuring the width of the corresponding pattern, a method is adopted in which partial images of both ends are acquired, both partial images are overlapped, and a dimensional difference is automatically recognized.
更に、試料に対する集束イオンビームの走査方向若しくはビーム照射角度を変える手段は、計算されたズレ量をキャンセルする分の信号をビーム偏向手段に印加する手法を採用した。 Further, as a means for changing the scanning direction or beam irradiation angle of the focused ion beam with respect to the sample, a method of applying a signal for canceling the calculated deviation amount to the beam deflection means is adopted.
試料に対する集束イオンビームのビーム照射角度を縦回転方向に変える手段は、計算されたズレ量をキャンセルする分の信号を試料ステージのチルト機構に印加する手法を採用した。 As a means for changing the beam irradiation angle of the focused ion beam to the sample in the longitudinal rotation direction, a method of applying a signal for canceling the calculated shift amount to the tilt mechanism of the sample stage is adopted.
本発明の加工面位置ズレ補正方法は、規則的にパターンが配列された半導体素子の断面観察のための集束イオンビームを用いた加工において、断面観察画像中の左右又は上下両端近傍にある対応パターンの寸法を比較測定し、両方の測定値から集束イオンビーム加工面の横方向又は縦方向の回転ズレを計算し、試料に対する集束イオンビームの走査方向若しくはビーム照射角度を変え当該ズレを補正するものであるから、断面における横方向と縦方向の傾きが正確に把握され、その分が照射イオンビームの方向で修正されるので規則的に配列されたパターンの幅が綺麗に揃って露出され、正確な断面観察を可能にする。 The processing surface misalignment correction method of the present invention is a processing method using a focused ion beam for cross-sectional observation of a semiconductor element in which patterns are regularly arranged. Measure the dimensions of the sample, calculate the horizontal or vertical rotational deviation of the focused ion beam processing surface from both measurements, and correct the deviation by changing the scanning direction of the focused ion beam or the beam irradiation angle with respect to the sample. Therefore, the horizontal and vertical inclinations in the cross-section are accurately grasped, and the corresponding amount is corrected in the direction of the irradiated ion beam, so that the regularly arranged pattern widths are neatly aligned and exposed accurately. Enables cross-sectional observation.
本発明の加工面のズレを補正する機能を備えた集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡の複合装置は、前記走査型電子顕微鏡で断面観察像を得て、規則的にパターンが配列された画像両端近傍にある対応パターンの幅を測定する手段と、両方の測定値から集束イオンビーム加工面の回転方向のズレを計算する手段と、該計算手段の結果に基づいて試料に対する集束イオンビームの走査方向及びビーム照射角度を変える手段とを備えるものであるから、求められる断面加工を正確に実現できる。 The combined device of a focused ion beam device and a scanning electron microscope having a function of correcting a displacement of a processed surface according to the present invention is an image in which a cross-sectional observation image is obtained with the scanning electron microscope and a pattern is regularly arranged. Means for measuring the width of the corresponding pattern in the vicinity of both ends, means for calculating the rotational displacement of the focused ion beam processing surface from both measured values, and scanning the focused ion beam with respect to the sample based on the result of the calculation means Since it includes means for changing the direction and the beam irradiation angle, the required cross-sectional processing can be realized accurately.
また、対応パターンの幅を測定する手段として、両端の画像を部分取得し、該両方の部分画像を重ね合わせ、寸法差を自動認識する手法を採用したことにより、熟練技術を持たない者にも正確な断面加工が実行できる。 In addition, as a means of measuring the width of the corresponding pattern, by acquiring a part of the images at both ends, overlaying both the partial images, and automatically recognizing the dimensional difference, those who do not have skill Accurate cross-section processing can be performed.
更に、試料に対する集束イオンビームの走査方向若しくはビーム照射角度を変える手段として、計算されたズレ量をキャンセルする分の信号をビーム偏向手段に印加する手法を採用したことにより、微細な角度調整が可能となった。 In addition, as a means to change the scanning direction or beam irradiation angle of the focused ion beam with respect to the sample, a fine angle adjustment is possible by adopting a method that applies a signal for canceling the calculated deviation amount to the beam deflection means. It became.
試料に対する集束イオンビームのビーム照射角度を縦回転方向に変える手段として、計算されたズレ量をキャンセルする分の信号を試料ステージのチルト機構に印加する手法を採用したので、ビームの性格上必然的に生じる縦方向のテーパ分を含めて容易に調整することができる。 As a means of changing the beam irradiation angle of the focused ion beam to the sample in the vertical rotation direction, a method of applying a signal for canceling the calculated deviation amount to the tilt mechanism of the sample stage is inevitable due to the nature of the beam. It is possible to easily adjust the length including the taper in the vertical direction.
本発明者らは半導体素子の断面観察のための集束イオンビームを用いた加工において、規則的にパターンが配列された加工断面を観察すると、断面に現れる同一のパターンの形状が微妙に異なっており、不揃いとなっていることが気になった。規則的に配列されたパターン部分が配列方向に沿って正確に断面加工されていれば断面に現れる同一のパターンの形状も同一となるはずである。形状の差異は断面加工がパターンの配列方向になっていないことの証であり、そのパターン形状の差は一般には画像中の左右又は上下両端近傍にある対応パターン間で大きく現れる。そこで本発明ではその寸法を比較測定し、両方の測定値から幾何学的関係を基に集束イオンビーム加工面の横方向又は縦方向の回転ズレを計算し、加工面に対する集束イオンビームの走査方向若しくはビーム照射角度を変え当該ズレを補正することに想到したものである。 In the processing using a focused ion beam for observing a cross section of a semiconductor device, the present inventors observed a processed cross section in which patterns are regularly arranged, and the shape of the same pattern appearing on the cross section is slightly different. I was worried that it was uneven. If the regularly arranged pattern portions have been accurately cross-sectioned along the arrangement direction, the shape of the same pattern appearing in the cross-section should be the same. The difference in shape is a proof that the cross-section processing is not in the pattern arrangement direction, and the difference in pattern shape generally appears greatly between the corresponding patterns near the left and right or upper and lower ends in the image. Therefore, in the present invention, the dimensions are compared and measured, and the horizontal or vertical rotation shift of the focused ion beam processing surface is calculated based on the geometric relationship from both measured values, and the scanning direction of the focused ion beam with respect to the processing surface is calculated. Alternatively, the inventors have conceived of correcting the deviation by changing the beam irradiation angle.
ここで、規則的なパターンが半導体素子中に配置されているタングステンビアであるとして考察してみる。図１にこのタングステンビア列を円柱形状体が一列に配列されたものとモデル化し、図中Ａ，Ｃ，Ｄは素子面の上方から見た図、Ｂ，Ｅ，Ｆは断面観察図に相当する図として示してある。この素子１に対してＦＩＢによって加工する枠２を網掛け矩形で示す。図のＡでは４つのタングステンビア３が横方向に規則的に配列されており、ＦＩＢ加工枠２が４つのタングステンビア３の側面に接するように設定されている。しかし実際の加工ではその横方向のビーム走査が実線で描かれたように回転ズレし、すなわち配列方向に対して傾斜して行われ断面加工がなされたとする。すると、その断面の観察画像は図のＢに示すように、左側のタングステンビア３の断面パターンは細く、右側にあるタングステンビア３の断面パターンは次第に太く現れる。この場合両サイドに近接したパターンを比較したときその形状差が顕著に現れる。図のＣに示した図は横方向のビーム走査が設定された方向で正しく走査され、求める加工が行われたときのものである。このように理想状態の加工がなされたときは図のＥに示されたようにタングステンビア３の断面パターンはすべて同じ横幅の同じ高さの矩形形状で現れる。
Here, let us consider that the regular pattern is a tungsten via arranged in a semiconductor element. In FIG. 1, this tungsten via row is modeled as a columnar body arranged in a row. In the figure, A, C, and D are views from above the element surface, and B, E, and F are cross-sectional observation views. It is shown as a diagram. A
ところが、実際には事情はもっと厄介で図のＡに実線で示した方向に傾斜した加工がなされたとき、常に図のＢに示したようにタングステンビア３の断面パターンが次第に太く現れる単純傾向を示すとは限らない。図のＤに示すようにビーム走査が大きく傾斜したようなとき、その断面に現れるパターンは図のＦに示されるように左側では細くその隣では太く、更にその隣では同様に太く、右端では細いパターンとして現れる。これはタングステンビア３が円柱形であるため手前の断面は細く、中程で太く、更に奥では断面が細くなるためである。すなわち、断面に現れるパターンの形状はそのパターンの平面形状に依存するものであるから、断面に現れるパターンの形状差から左右の奥行き位置の差を割り出すにはそのパターンに着目しその形状に対応した複数の位置がないような領域でビーム走査方向を確認し調整することが必要である。具体的にはこのモデルの場合当初の加工はタングステンビア３が配置されている手前の位置から加工のための走査を開始し、徐々にタングステンビア３が配置されている方向に進ませていくと、まず左右いずれかの位置のタングステンビア３が露出し、更に加工を進めていって反対側の位置のタングステンビア３が露出したとき、はじめのタングステンビア３が中央部を越えて加工されている場合は本発明の手法の適用に不都合であるから、走査方向の調整を行いやり直す。反対側の位置のタングステンビア３が露出したとき、はじめのタングステンビア３の加工位置が中央部を越えていない場合は本発明の手法が適用できる。 However, in reality, the situation is more troublesome, and when a process inclined in the direction indicated by the solid line in A in the figure is made, there is always a simple tendency that the sectional pattern of the tungsten via 3 gradually becomes thicker as shown in B in the figure. Not necessarily shown. When the beam scan is greatly inclined as shown in D of the figure, the pattern appearing in the cross section is thin on the left side as shown in F of the figure, thick next to it, and also thick next to it, and thin on the right end. Appears as a pattern. This is because the tungsten via 3 has a cylindrical shape, so that the front cross section is thin, thick in the middle, and further in the back. In other words, since the shape of the pattern that appears in the cross section depends on the planar shape of the pattern, to find the difference between the left and right depth positions from the shape difference of the pattern that appears in the cross section, focus on that pattern and correspond to that shape. It is necessary to confirm and adjust the beam scanning direction in an area where there are not a plurality of positions. Specifically, in the case of this model, the initial processing starts scanning for processing from a position before the tungsten via 3 is arranged, and gradually advances in the direction in which the tungsten via 3 is arranged. First, when the tungsten via 3 at one of the left and right positions is exposed and further processing is performed and the tungsten via 3 at the opposite position is exposed, the first tungsten via 3 is processed beyond the central portion. In such a case, it is inconvenient to apply the method of the present invention, so the scanning direction is adjusted again. When the tungsten via 3 at the opposite position is exposed, the technique of the present invention can be applied if the first tungsten via 3 is not processed beyond the central portion.
以上の説明は断面の横方向のズレの補正方法についておこなったが、縦方向のズレの補正方法についてもほぼ同様である。タングステンビア３は円柱形状をしているため縦方向のズレがあるときは断面に現れる形状が矩形ではなく台形形状となる。半導体に規則的に配置されるこのタングステンビア３は断面画像において上下にわたって連続構造であることはまずない。二次元配列されたものが機能領域を挟んで多層的に組み込まれているのが一般的である。そのため一つのタングステンビア３の断面形状で上下幅からそのズレを判断するのでは上下方向の距離が短すぎ測定精度が悪くなる。もし、素子の構造として同じ二次元位置のものが多層構造となっている場合には断面画像において最上層タングステンビア３の断面形状幅と最下層タングステンビア３の断面形状幅とを比較することによって精度の良い測定を可能とする。また、上下の層で同じ配置をとっていない素子であってもその位置関係が分かればその寸法から縦方向のズレを割り出すことが可能である。 Although the above description has been made with respect to the method of correcting the lateral displacement of the cross section, the method of correcting the vertical displacement is substantially the same. Since the tungsten via 3 has a cylindrical shape, the shape appearing in the cross section is not a rectangle but a trapezoid when there is a vertical shift. The tungsten vias 3 regularly arranged in the semiconductor are unlikely to have a continuous structure from top to bottom in the cross-sectional image. In general, a two-dimensional array is incorporated in multiple layers across a functional area. Therefore, if the deviation is determined from the vertical width in the sectional shape of one tungsten via 3, the distance in the vertical direction is too short and the measurement accuracy is deteriorated. If the element structure having the same two-dimensional position is a multi-layer structure, the cross-sectional shape width of the uppermost tungsten via 3 is compared with the cross-sectional shape width of the lowermost tungsten via 3 in the cross-sectional image. Enables accurate measurement. Further, even in the case of elements that do not have the same arrangement in the upper and lower layers, if the positional relationship is known, it is possible to determine the vertical deviation from the dimensions.
また、縦方向の断面加工にはＦＩＢがビーム径領域において理想的な均一強度のビームではなく、一般に正規分布強度持ったものであることから、垂直方向からのビームであっても垂直面を加工することができず必然的にテーパ面となる事情がある。このテーパ分を補正するため、その角度に相当する角度だけ試料を傾斜させる方法が採られる。これには一般に試料ステージのチルト機構が用いられる。 In addition, since the FIB is not an ideal uniform intensity beam in the beam diameter region but generally has a normal distribution intensity in the longitudinal section processing, the vertical plane is processed even with a beam from the vertical direction. There is a circumstance that it cannot be done and inevitably becomes a tapered surface. In order to correct the taper, a method of inclining the sample by an angle corresponding to the angle is employed. In general, a tilt mechanism of a sample stage is used for this.
次に本発明の実施例について説明する。まず、横方向の回転角を補正する場合。
１）断面を加工する前にウエハ等試料表面をＦＩＢで加工し図２の左側に示されるようにタングステンビアが二次元的に配列されている層を露出させ、その表面加工穴及びビアを拡大した顕微鏡（ＳＥＭ）像を取得する。顕微鏡測長機能を用いてタングステンビア部の最大幅を測定しておく。この顕微鏡像から観察領域を特定し断面加工枠を設定する。
２）ＦＩＢで断面加工を実施し、円柱形状のタングステンビアの側面端部まで加工する。この際、当初のＦＩＢ像では図１の破線で示したようなビアは見えないが図２左部の表面加工穴のビアを参照して位置決めし穴掘加工し断面を形成していく。加工穴が広く開いたならばＳＥＭ像観察が可能となるので、ＳＥＭ像観察をしながらＦＩＢによる断面加工を断面方向に進めてゆく。するとある時点で左右いずれかに配置されているのタングステンビアの側面端部が露出する。もし、図１のＡに示されたような理想状態の加工枠ができれば配列されたすべてのタングステンビアの側面端部が露出することになるが、そのようなことはまずない。それができればそもそも本発明の必要がないことになる。
３）タングステンビアの中心位置を過ぎないようにＳＥＭ像で観察しながら加工を進め、できれば他端側のタングステンビアの側面端部が露出するまで加工を進める。そのとき最初に露出したタングステンビアの中心部を過ぎて加工していないことを確認する。万一中心部を過ぎて加工していたときは前述した厄介な問題を伴うのでこの加工を中止し、ビーム走査方向を是正してこれまでの作業をやり直す。
４）すべてのタングステンビアが露出し、最初のタングステンビアの加工位置が中心位置に近づいたら加工を中止し、ＳＥＭ像で左右両端のタングステンビア断面像を観察する。
５）左右両端のタングステンビア断面の幅が異なっていたら、比較用の画面枠を設定し図３に示したように両端の画像認識する範囲を指定する。
６）両パターン幅を画像認識して、顕微鏡測長機能を用いて左右両端のタングステンビアの幅寸法を測定する。この際縦方向のズレを含んでいると厳密には上下の幅は同じではないので幅を測定する上下方向の位置は合わせるのが望ましい。両測定値の差を出したら最初に測定したビアの最大幅からＳＥＭ断面像から見た両端の奥行きのずれを計算し加工枠のずれを算出する。
Next, examples of the present invention will be described. First, when correcting the horizontal rotation angle.
1) Before processing the cross section, the surface of the sample such as a wafer is processed by FIB to expose a layer in which tungsten vias are two-dimensionally arranged as shown on the left side of FIG. 2, and the surface processed holes and vias are enlarged. A microscope (SEM) image is obtained. The maximum width of the tungsten via portion is measured using the microscopic length measurement function. An observation region is specified from the microscopic image, and a cross section processing frame is set.
2) Cross-section processing is performed with FIB, and processing is performed up to the end of the side surface of the cylindrical tungsten via. At this time, the via as shown by the broken line in FIG. 1 is not visible in the initial FIB image, but the cross section is formed by positioning and drilling with reference to the via of the surface processed hole on the left side of FIG. Since the SEM image can be observed if the processed hole is wide open, the cross-section processing by FIB is advanced in the cross-section direction while observing the SEM image. Then, at a certain point in time, the side end portion of the tungsten via disposed on either the left or right side is exposed. If a processing frame in an ideal state as shown in FIG. 1A is formed, the side end portions of all the arranged tungsten vias will be exposed, but this is rarely the case. If this can be done, the present invention is not necessary in the first place.
3) Processing is performed while observing with an SEM image so as not to pass the center position of the tungsten via, and if possible, processing is performed until the side surface end portion of the tungsten via on the other end side is exposed. At that time, it is confirmed that the first exposed tungsten via has not been processed past the central portion. In the unlikely event that processing has been performed past the center, the processing is stopped because of the above-mentioned troublesome problems, the beam scanning direction is corrected, and the previous operation is repeated.
4) When all the tungsten vias are exposed and the processing position of the first tungsten via approaches the center position, the processing is stopped, and the tungsten via cross-sectional images at the left and right ends are observed with the SEM images.
5) If the widths of the tungsten via cross-sections at the left and right ends are different, a comparison screen frame is set and the image recognition range at both ends is designated as shown in FIG.
6) Recognize both pattern widths and measure the width dimension of the tungsten vias at the left and right ends using the microscope length measurement function. In this case, if the vertical displacement is included, strictly speaking, the vertical width is not the same, so it is desirable to match the vertical position for measuring the width. When the difference between the two measured values is calculated, the deviation of the depths at both ends as viewed from the SEM cross-sectional image is calculated from the maximum width of the via measured first to calculate the deviation of the processing frame.
この計算原理を図４を参照しながら説明する。左右の円は上方（イオンビーム源方向）から見た着目する左右両端のタングステンビアの位置であり、Ｏ，Ｏ'はその中心点、Ｐ，Ｒ，Ｐ'，Ｒ'は左右両端のタングステンビア加工断面の両端位置、Ｑ，Ｑ'はその中心位置、ＳはＯＱ延長上の点であり、Ｑ'に示される奥行き位置に対応する点を表している。 This calculation principle will be described with reference to FIG. The left and right circles are the positions of the tungsten vias at the left and right ends as viewed from above (in the direction of the ion beam source), O and O ′ are the center points, and P, R, P ′, and R ′ are the tungsten vias at the left and right ends. Both end positions of the processed cross section, Q and Q ′ are the center positions, and S is a point on the OQ extension, which represents a point corresponding to the depth position indicated by Q ′.
ＯＲ＝Ｏ'Ｒ'はタングステンビアの半径でパターンの最大幅の１／２
ＰＲ，Ｐ'Ｒ'は左右両端のタングステンビアの加工断面幅
ＱＳはＳＥＭ電子ビーム源方向から見たから観た奥行きの差
ＳＱ'は左右両端のタングステンビアの断面パターン間の距離を示すことになる。
ＯＲは１）において顕微鏡測長機能で測定した最大幅値の半分であり、ＰＲとＰ'Ｒ'とＳＱ'は６）においてＳＥＭ画像から顕微鏡測長機能で自動測定、又は手動測定する。
OR = O'R 'is the radius of the tungsten via and is 1/2 of the maximum pattern width
PR and P′R ′ are the processing cross-sectional widths of the tungsten vias at the left and right ends. QS is the depth difference as viewed from the SEM electron beam source direction. SQ ′ indicates the distance between the cross-sectional patterns of the tungsten vias at the left and right ends. .
OR is half of the maximum width value measured by the microscope length measurement function in 1), and PR, P′R ′ and SQ ′ are automatically measured or manually measured from the SEM image by the microscope length measurement function in 6).
いま、αを補正角度とすると
ＯＱ＝√(ＯＲ２−ＱＲ２)、Ｏ'Ｑ'＝√(Ｏ'Ｒ'２−Ｑ'Ｒ'２)
ＱＳ＝Ｏ'Ｑ'−ＯＱとなるので
α＝Tan−１(ＱＳ／ＳＱ')で算出される。
７）加工枠のずれ角度を表示させ数値を確認する。これは大きくずれていないかオペレータが確認するためである。
８）算出されたズレ角が妥当であることを確認し実行するとその補正分がビーム偏向信号に重畳されイオンビームスキャンローテーションで加工枠を修正する。
If α is a correction angle, OQ = √ (OR 2 −QR 2 ), O′Q ′ = √ (O′R ′ 2 −Q′R ′ 2 )
Since QS = O′Q′−OQ, α = Tan −1 (QS / SQ ′) is calculated.
7) Display the deviation angle of the processing frame and check the numerical value. This is because the operator confirms that there is no significant deviation.
8) When the calculated deviation angle is confirmed and executed, the correction amount is superimposed on the beam deflection signal, and the processing frame is corrected by ion beam scan rotation.
続いて縦方向の回転角を補正する場合を説明する。説明を簡単にするため上下の層に同じパターンのタングステンビアが配置されているものとして話を進める。勿論これは必須の条件ではなく素子におけるパターン形状と配置が既知であればその情報に基づいて本発明の実施はできる。
１）断面を加工する前に表面をＦＩＢで加工しタングステンビアの最大幅を測定しておくことが必要であるが、既に横方向補正で値が得られていればそれを用いることができる。
２）ＦＩＢで断面加工を実施し、上層又は下層側のタングステンビアの側面端部が露出するまで加工する。この作業が横方向補正を終えた後に行なわれるときは既に加工されている断面の画像中で上下層のタングステンビアがいずれも中心部を過ぎて加工されていないときには、その画面から５）以下の作業に入ることができる。しかしいずれかが中心部を過ぎて加工されていたときは次段のタングステンビア配列位置まで穴加工を堀り進めてこの作業を実行する。
３）そのタングステンビアの中心位置を過ぎないようにＳＥＭ像で観察しながら加工を進め、できれば他端側のタングステンビアの側面端部が露出するまで加工を進める。そのとき最初に露出したタングステンビアの加工が中心部を過ぎていないことを確認する。
４）他端層側のタングステンビアが露出し、最初のタングステンビアの加工が中心位置に近づいたら加工を中止し、ＳＥＭ像で上下両層のタングステンビアを観察する。
５）上下両層のタングステンビアの露出幅が異なっていたら、比較用の画面枠を設定し両端の画像認識をする範囲を指定する。
６）両パターン幅を画像認識して、顕微鏡測長機能を用いて上下両層のタングステンビアの幅寸法を測定する。両測定値の差を出したら最初に測定したビア部の最大幅からＳＥＭ断面像から見た両端の奥行きのずれを計算し加工枠のずれを算出する。計算は横補正のときとほぼ同様となるが上下両端のタングステンビアの断面パターン間の距離はＳＱ'ではなく、上下層間の距離となる。これはＳＥＭ像上で顕微鏡測長機能を用いて測定できる。
７）縦回転方向のずれ角度を表示させ数値を確認し、大きくずれていないか確認する。
８）算出されたズレ角が妥当であることを確認し実行すると変更手段によるイオンビームスキャンローテーション若しくは試料ステージのチルト機構を作動することにより試料に対するＦＩＢの加工方向を修正する。
Next, a case where the vertical rotation angle is corrected will be described. In order to simplify the explanation, it is assumed that tungsten vias having the same pattern are arranged on the upper and lower layers. Of course, this is not an essential condition, and if the pattern shape and arrangement in the element are known, the present invention can be implemented based on the information.
1) Before processing the cross section, it is necessary to process the surface with FIB and measure the maximum width of the tungsten via. If the value has already been obtained by the lateral correction, it can be used.
2) Perform cross-sectional processing with FIB, and process until the side edge of the upper or lower tungsten via is exposed. When this operation is performed after the lateral correction has been completed, when none of the upper and lower tungsten vias has been processed past the center in the already processed cross-sectional image, 5) or less from the screen. You can start working. However, if either of them has been machined past the center, the hole is drilled to the next tungsten via array position and this operation is executed.
3) Processing is performed while observing with the SEM image so as not to pass the center position of the tungsten via, and if possible, processing is performed until the side surface end portion of the tungsten via on the other end side is exposed. At that time, it is confirmed that the processing of the first exposed tungsten via does not pass through the central portion.
4) When the tungsten via on the other end layer side is exposed and the processing of the first tungsten via approaches the center position, the processing is stopped, and the tungsten vias in both the upper and lower layers are observed in the SEM image.
5) If the exposed widths of the tungsten vias on both the upper and lower layers are different, a comparison screen frame is set and a range for image recognition at both ends is designated.
6) Recognize both pattern widths and measure the width dimension of tungsten vias in both upper and lower layers using the microscopic length measurement function. When the difference between the two measured values is calculated, the deviation of the depths at both ends viewed from the SEM cross-sectional image is calculated from the maximum width of the via portion measured first to calculate the deviation of the processing frame. The calculation is almost the same as in the horizontal correction, but the distance between the cross-sectional patterns of the tungsten vias at the upper and lower ends is not SQ ′ but the distance between the upper and lower layers. This can be measured on the SEM image using a microscope length measurement function.
7) Display the deviation angle in the vertical rotation direction, check the numerical value, and confirm that it is not greatly deviated.
8) When the calculated deviation angle is confirmed and executed, the ion beam scan rotation by the changing means or the tilt mechanism of the sample stage is operated to correct the FIB processing direction with respect to the sample.
以上のように縦方向のズレ補正も原理的には横方向補正と同じであり、手順もほぼ同様となる。ここで補正された加工面はイオンビームの方向ズレに前述したイオンビーム加工に伴うテーパ分も重畳された補正がなされることになる。 As described above, the vertical deviation correction is in principle the same as the horizontal correction, and the procedure is substantially the same. The corrected machining surface is corrected such that the taper due to the ion beam machining described above is also superimposed on the deviation of the ion beam direction.
以上説明してきた本発明の加工面のズレを補正する方法を実行する集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡の複合装置は、図５にその基本構成を示すように集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡が複合し集束イオンビームで加工しながら走査型電子顕微鏡でリアルタイムに断面観察ができる機能を備えた装置が用いられる。まず、断面を加工する前に表面をＦＩＢで加工しタングステンビアの層を露出させ、その円柱構造の最大幅を測定するが、これは顕微鏡の測長手段で行う。続いてＦＩＢで断面加工を実施し、左右両端いずれかのタングステンビアの側面端部が露出するまで加工し、引き続きそのタングステンビアの中心位置を過ぎないようにＳＥＭ像で観察しながら加工を進め、できれば他端側のタングステンビアの側面端部が露出するまで加工を進める。この進行状況は顕微鏡画像化処理手段を介しディスプレイに表示されるＳＥＭ像で観察される。この観察によって他端側のタングステンビアが露出し、最初のタングステンビアの加工位置が中心位置に近づいたら加工を中止し、ＳＥＭ像で左右両端のタングステンビアを観察する。ここまでの作業は従来の集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡の複合装置を用いて実行することが可能である。本発明の装置は、次に行う両端部のパターン比較のために当該パターンを特定し対応パターンの測長を実行する手段、そしてそのデータを用いて断面の回転ズレを算出する手段、更には計算手段の結果に基づいて試料に対する集束イオンビームの走査方向若しくはビーム照射角度を変える手段を備えることによって実現できる。上下方向のズレについても同じ手段を用いたほぼ同様の動作となる。なお、本発明の特有の構成要素である「規則的にパターンが配列された画像両端近傍にある対応パターンの幅を測定する手段」と、「両方の測定値から集束イオンビーム加工面の回転方向のズレを計算する手段」と、「該計算手段の結果に基づいて試料に対する集束イオンビームの走査方向及びビーム照射角度を変える手段」はハードとしてのコンピューター本体とそれを機能させるソフトによって実現される。 The combined apparatus of the focused ion beam apparatus and the scanning electron microscope for executing the method for correcting the deviation of the machined surface according to the present invention described above has a basic structure as shown in FIG. An apparatus having a function capable of observing a cross section in real time with a scanning electron microscope while a microscope is combined and processed with a focused ion beam is used. First, before processing the cross section, the surface is processed with FIB to expose the tungsten via layer, and the maximum width of the columnar structure is measured. This is performed by the measuring means of the microscope. Subsequently, the FIB was subjected to cross-sectional processing, processed until the end of the side surface of the tungsten via on either of the left and right ends, and proceeded while observing with the SEM image so as not to pass the center position of the tungsten via, If possible, processing is continued until the side end portion of the tungsten via on the other end side is exposed. This progress is observed in the SEM image displayed on the display through the microscope imaging processing means. By this observation, the tungsten via on the other end side is exposed, and when the processing position of the first tungsten via approaches the center position, the processing is stopped, and the tungsten vias on both the left and right sides are observed with the SEM images. The operations so far can be performed using a conventional focused ion beam apparatus and scanning electron microscope combined apparatus. The apparatus of the present invention is a means for specifying the pattern for the next pattern comparison at both ends and executing the measurement of the corresponding pattern, a means for calculating the rotational deviation of the cross section using the data, and a calculation. This can be realized by providing means for changing the scanning direction or beam irradiation angle of the focused ion beam with respect to the sample based on the result of the means. The vertical movement is substantially the same using the same means. It should be noted that “a means for measuring the width of the corresponding pattern in the vicinity of both ends of the image in which the pattern is regularly arranged” which is a characteristic component of the present invention, and “the rotational direction of the focused ion beam processing surface from both measured values” The "means for calculating the deviation" and "the means for changing the scanning direction and beam irradiation angle of the focused ion beam with respect to the sample based on the result of the calculation means" are realized by the computer main body as hardware and the software for functioning it. .
本発明の補正方法をシステム上でさらに容易に実行させるために、比較する両端部の対応パターンをディスプレイ１１のＳＥＭ画像上で領域指定する手段と、その領域指定された複数の画像を位置調整可能な形態で重ねて表示できる手段と、対応パターンの幅を測定する手段は、前記位置調整手段で対応パターンの一端部を一致するように重ねた後異なる位置にくる双方パターンの他端部分をそれぞれクリックするなどの手段によって特定するとその間の距離を自動計測して出力する機能を備えた手段を採用するようにした。これらの操作はディスプレイ１１の表示を見ながらマウス等の入力手段１０を用いてオペレータが実行する。これによって、熟練していないオペレータであっても求められる正確な切り口の断面を比較的容易に加工することができる。 In order to make the correction method of the present invention easier to execute on the system, means for designating the corresponding pattern of both end portions to be compared on the SEM image of the display 11 and the position of a plurality of images designated by the region can be adjusted. Means that can be displayed in a superimposed manner, and means for measuring the width of the corresponding pattern, each of the other end portions of the two patterns that are in different positions after being overlapped with the corresponding pattern by the position adjusting means. When specified by means such as clicking, a means with a function of automatically measuring and outputting the distance between them is adopted. These operations are performed by the operator using the input means 10 such as a mouse while viewing the display 11. Thereby, even an unskilled operator can process a precise cut section required relatively easily.
１ 試料（半導体素子） ７ ガス銃
２ 加工枠 ８ 二次電子検出器
３ タングステンビア ９ コンピューター本体
４ ＦＩＢ鏡筒 １０ 入力手段
５ ＳＥＭ鏡筒 １１ ディスプレイ
６ 二次イオン検出器
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